CN113540580A - 无需拆除故障电芯而保持电池组件安全运行的处理方法以及由其得到的电池组件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种无需拆除故障电芯而保持电池组件安全运行的处理方法以及由其得到的电池组件，所述方法包括如下步骤，通过电池管理系统识别出电池组件中的故障电芯；以及向所述故障电芯注入液体使所述电池组件中的故障电芯失活。优选地，所述方法还包括，在识别出所述故障电芯之后以及使所述故障电芯失活之前，采用跨接方式，将故障电芯断开，不进行后续的充放电的步骤。上述方法在无需拆除故障电芯的情况下保证了电池组件正常运行，具有重要的应用价值。

Description

无需拆除故障电芯而保持电池组件安全运行的处理方法以及 由其得到的电池组件

技术领域

本申请涉及电池应用领域，具体地，本申请涉及一种无需拆除故障电芯而保持电池组件安全运行的处理方法以及由其得到的电池组件。

背景技术

电动整车的使用过程中，由于某些原因，电池模组或电池包中的个别电芯会出现故障，无法正常使用。在实际应用中，由于某些特殊原因，包括例如从车辆中拆除含故障电芯的电池模组或电池包来进行维修会导致车辆的运行效率下降显著，因此，通常不希望将包含故障电芯的电池模组或电池包整体拆除进行维修，而是希望将故障电芯从电池模组或电池包中隔离。

目前，现有技术中对电池模组或电池包中的故障电芯进行隔离的方案主要包括电路处理方式和机械处理方式两种。以电路处理方式，通过控制电路开关来实现故障电芯的隔离，例如CN102624058、CN106972583和CN110350625公开了这种处理方式。以机械处理方式，通过在线路板中设置安全结构来将故障电芯从电池模组中隔离出来，例如CN103022578A公开了这种处理方式。然而，这两种解决方案存在处理复杂，隔离效率差的缺陷。除此以外，对故障电芯的处理方法还包括将故障电芯放电至0V进行存储的处理方法。但是这种处理方法不可避免地出现某些经处理电芯在低电压下存储不稳定(产气)的问题，存在安全隐患。

发明内容

为了解决上述问题中的一个或多个，本申请的发明人向电池组件中的故障电芯注入液体使故障电芯失活，从而实现了故障电芯被彻底隔离。如此隔离了故障电芯的电池组件在不同工况下均可以安全运行，也不会有产气等风险发生，在避免从电池组件中拆除故障电芯的需求下，实现了电池组件在多种工况下长时间保持高安全运行。

因此，本申请第一方面提供了一种无需拆除故障电芯而保持电池组件安全运行的处理方法，该方法包括：通过电池管理系统识别电池组件中的故障电芯；以及向故障电芯注入液体使电池组件中的故障电芯失活。优选地，该方法还包括，在识别出故障电芯之后以及在使故障电芯失活之前，采用跨接方式，将故障电芯断开不进行后续的充放电的步骤。

本申请第二方面提供了一种带有故障电芯而保持安全运行的电池组件，其是通过本申请第一方面提供的方法得到的。

本申请所提供的处理方法确实能够完全实现故障电芯与电池组件中其它正常电芯的有效隔离，而且采用这种方法处理过的电池组件能够长时间保持安全运行，尤其在极端工况下能够长期稳定存储，而不会出现产气等风险。除此以外，较之电路处理和机械处理两种方式相比，通过本申请的处理方法可以更有效地将电池组件中的故障电芯与电池组件中的其它正常电芯进行隔离，尤其在处理效率和隔离效率等方面显著更高。

以下结合说明书附图和实施例对本申请的处理方法进行详细说明。

附图说明

图1示出了根据本申请的一个实施方式的处理方法的流程示意图；

图2示出了根据本申请的另一个实施方式的处理方法的流程示意图；

图3示出了在图2所示实施方式中的跨接方式的结构示意图；

图4示出了在根据本申请的一个实施方式中的电池内部压力与存储天数关系的图表；

图5是电芯的一实施方式的示意图。

图6是电池模组的一实施方式的示意图。

图7是由电池模组形成的电池包的一实施方式的示意图。

图8是图7的分解图。

图9是无模组框架结构电池包的一实施方式的示意图。

图10是电池组件用作电源的装置的一实施方式的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1电池包

2上箱体

3下箱体

4电池模组

5电芯

6侧板

7隔板

1’故障电芯

2’正极柱

3’防爆阀

4’注液孔

5’负极柱

6’铝巴片

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本申请的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请的更好的理解。本申请决不限于下面所提出的任何具体处理方法，而是在不脱离本申请的精神的前提下覆盖了组成、元素、部件的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本申请造成不必要的模糊。

本申请提供了对电池组件中的故障电芯进行隔离的处理方法以及由其得到的电池组件。具体而言，在根据本申请的处理方法中，通过向电池组件中的故障电芯注入液体使其失活，从而实现了故障电芯与电池组件中其它正常电池的有效隔离，保证了故障电芯能够长期存储稳定无需拆除。需要说明的是，本申请实施例中的电池组件包括电池模组和/或电池包。本申请实施例中的电池组件的种类可以包括锂离子电池、锂金属电池、铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池、锂硫电池、锂空气电池或者钠离子电池，在此不做限定。

图1示出了根据本申请的一个实施方式的处理方法的流程图100。如图1所示，本实施例中的电池处理方法100包括以下步骤：

步骤S101，通过电池管理系统(Battery Management System，BMS)识别电池组件中的故障电芯。在本文的上下文中，术语“故障电芯”是指具有如下(1)～(4)缺陷中的一个或多个的电芯：(1)电芯的工作电压低于电池组件中其他电芯的工作电压的平均值；(2)电芯的容量低于电池组件中其他电芯的容量的平均值；(3)电芯的内阻异常高于电池组件中其他电芯的内阻的平均值；(4)电芯发生漏液等。在本申请的一些实施例中，在整车运行过程中，电池组件可以采用本领域技术人员已知的任何电池管理系统进行在线检测、实时监测等。因此，电池组件中的电芯在出现上述缺陷时可以被电池管理系统快速捕捉到，从而识别出电池组件中的故障电芯。

步骤S102，向识别出的故障电芯注入液体使电池组件中的故障电芯失活，从而实现故障电芯与电池组件中其它正常电池的有效隔离。

优选地，在步骤S102的注入液体步骤之前，将故障电芯放电至0V。具体而言，故障电芯的钝化可以通过如下实现：将故障电芯放电至0V，然后向故障电芯注入液体，以使故障电芯失活。这种工艺与回收废旧电池的有价金属的方法中的放电处理步骤在实质上是不同的。在回收电池的放电步骤中，电池被浸泡在电解质溶液中，通过内短路的方式使其放电至无电状态，从而能够实现电池的拆解操作。与之相比，本申请是为了实现故障电芯与电池组件中其它正常电芯的有效隔离，而且保证采用这种方法处理过的故障电芯能够长期存储稳定的目的。该目的是通过将特定的液体灌入电芯壳体内来实现。在本申请的方法中，并不要求在注入液体的过程中放电，故障电芯的放电操作是在注入液体步骤之前进行的。

本申请的发明人发现，为了实现故障电芯的钝化，从而保证在不同工况中包含经钝化的故障电芯的电池组件均能够安全运行，尤其不会有产气等风险，对于注入故障电芯的液体的选择是很重要的，优选选择能在后续多种工况下稳定存在且在电极组件内部不能实现电子导通的液体。在本申请的实施方式中，注入故障电芯的液体具有如下(1)～(6)性质中的一个或多个：(1)可流动的且对故障电芯内的电极组件具有浸润性，优选地，在10℃～150℃下可流动且与故障电芯内的电极组件的接触角不超过45°，更优选地，在10℃～80℃下可流动且与故障电芯内电极组件的接触角不超过15°；(2)不可燃，优选地，在-50℃～250℃下不可燃，更优选地，在-50℃～150℃下不可燃；(3)pH在7到10的范围内，优选地，pH在7到8的范围内；(4)在温度升高的情况下物化性能不会发生变化；(5)不会与故障电芯中的各组件(包括正极极片、负极极片、隔膜、电解液、集流体和电芯外壳)发生反应；和(6)不会对故障电芯造成腐蚀。

在本申请的一个优选实施方式中，注入故障电芯的液体至少需同时满足以下性质：在10℃～150℃下是可流动且对故障电芯内的电极组件的接触角不超过45°；在-50℃～250℃下是不可燃的；并且具有在7到10的范围内的pH。

在本申请的一个更优选实施方式中，注入故障电芯的液体至少需同时满足以下性质：在10℃～80℃下是可流动且与故障电芯内的电极组件的接触角不超过15°；在-50℃～150℃下是不可燃的；并且具有在7到8的范围内的pH。

作为液体的示例，可以使用水、环氧树脂胶或聚氨酯胶，优选地使用环氧树脂胶或聚氨酯胶。本申请的发明人发现，将环氧树脂胶或聚氨酯胶注入故障电芯中，可大大提高后续带故障电芯的电池模组/电池包在多种工况下的稳定性，避免二次故障的发生。作为可商购环氧树脂胶的实例，可以使用购自淘宝秋兰水晶胶滴、东莞市艾丰新材料有限公司的环氧树脂水晶滴胶、东莞市优广实业有限公司的环氧树脂水晶滴胶。作为可商购聚氨酯胶的实例，可以使用购自广州市铂桥电子材料有限公司的聚氨酯灌封胶、山东辉翱新材料有限公司的1913&1907胶、广州锐升合成材料有限公司的聚氨酯灌封胶。

在本申请的一个实施方式中，液体是由故障电芯的注液孔注入的。具体地，经由注液孔向故障电芯注入液体的步骤包括：(i)对故障电芯的注液孔进行打磨，(ii)将液体注入故障电芯，和(iii)封闭注液孔，优选采用激光焊接进行封闭。

在本申请的另一个实施方式中，液体是由故障电芯的防爆阀注入的。具体地，经由防爆阀向故障电芯注入液体的步骤包括：(i)对故障电芯进行抽真空处理以在故障电芯中形成负压(即压力低于大气压)，(ii)将液体注入故障电芯，和(iii)采用本领域已知的任何密封胶封闭防爆阀。

通过上述处理方法，可以有效地实现故障电芯与电池组件中其它正常电池的有效隔离，而且保证如此处理过的电池组件能够长期保持安全运行，而避免了故障电芯出现存储产气问题。

图2示出了根据本申请的另一个实施方式的处理方法的流程图200。如图2所示，本实施例中的电池处理方法200包括以下步骤：

步骤S201，通过电池管理系统(Battery Management System，BMS)识别电池组件中的故障电芯。步骤S201中所使用的电池管理系统与上述步骤S101中使用的电池管理系统是相同的或类似的。

步骤S202，采用跨接方式，将故障电芯断开而不进行后续的充放电。在本申请的上下文中，术语“跨接”是指跨过故障电芯，将故障电芯的两侧正常电芯连接，确保电池组件的其余电芯正常运转。作为示例性说明，附图3示出了对包含故障电芯1’的电池组件进行跨接处理，以断开故障电芯1’的一个实例。

在采用跨接处理时，将故障电芯上游的一个电芯的正极与故障电芯下游的一个电芯的负极通过适当形式的导电金属材料连通，或者，将故障电芯上游的一个电芯的负极与故障电芯下游的一个电芯的正极通过适当形式的导电金属材料连通，从而确保除故障电芯之外的电池组件的其它电芯正常运转。在存在两个或更多个连续故障电芯的情况下，上述跨接处理是通过如下实现的：将第一个故障电芯上游的一个电芯的正极与最后一个故障电芯下游的一个电芯的负极通过适当形式的导电金属材料连通，或者，将第一个故障电芯上游的一个电芯的负极与最后一个故障电芯下游的一个电芯的正极通过适当形式的导电金属材料连通，从而确保除故障电芯之外的电池组件的其它电芯正常运转。所选择的导电金属材料是具有足够导电率的金属材料，包括但不限于，铝、铜、不锈钢或其任何组合，优选铝。为了操作方便，用于跨接故障电芯的导电金属材料可以是片状的、棒状的、丝状的，优选为片状的。在本申请的一个实施方式中，用于跨接故障电芯的导电金属材料为铝巴片。

步骤S203，向经断开的故障电芯注入液体使电池组件中的故障电芯失活，从而实现故障电芯与电池组件中其它正常电池的有效隔离。在步骤S203中所使用的液体以及将液体注入故障电芯的方式与上述步骤S102是相同的或类似的。

通过上述处理方法，可以有效地实现故障电芯与电池组件中其它正常电池的有效隔离，而且保证如此处理过的电池组件能够长期保持安全运行，而避免故障电芯出现存储产气问题。

因此，根据本申请的另一方面，提供了一种带有故障电芯而保持安全运行的电池组件，其是通过上述本申请的方法得到的。

本申请中，电池组件包括电池模组和/或电池包。本申请第一方面所述的方法尤其适用于由多个电芯以串联和/或并联的电连接方式直接排列而成的无模组框架结构电池包。常规的电池包成组方式是将多个电芯经端板、侧板固定组成模组后，再将多个模组经串联、并联组成电池包。与之相对照，无模组框架结构电池包跨过先形成电池模组这一步骤，直接将多个电芯以串联和/或并联的方式连接，并固定在电池包底部。由于无模组框架结构电池包中省去了端板、侧板，为了保证电池包内部结构稳定，往往需要通过胶体粘合来提高电芯与电池包底部的结合力。这种安装方式导致在个别电芯发生故障时，拆卸更换故障电芯的难度较高。采用本申请第一方面所述的方法，能够使无模组框架结构电池包中的故障电芯被彻底隔离，使得无模组框架结构电池包在不同工况下存储时，也不会有产气等风险发生。

在根据本申请的实施方式中，采用本申请的方法处理过的电池组件，即便存在一个或多个故障电芯，仍可以长期保持安全运行，而基本上避免了故障电芯出现存储产气问题。在本申请的一个实施方式中，采用本申请的处理方法得到的电池组件可以安全运行5天、10天、15天、20天、30天或更长，而故障电芯基本上没有存储产气问题。

作为示意性说明，如下参照说明书附图提供了电芯、电池模组和由电池模组形成的电池包的结构和构成方式。

本申请对电芯的形状没有特别的限制，其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。如图5是作为一个示例的方形结构的电芯5。在一些实施例中，电芯可以组装成电池模组，电池模组所含二次电池的数量可以为多个，具体数量可根据电池模组的应用和容量来调节。

图6是作为一个示例的电池模组4。参照图6，在电池模组4中，多个电芯5可以是沿电池模组4的长度方向依次排列设置。当然，也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件(例如侧板6和端板7)将该多个电芯5进行固定。可选地，电池模组4还可以包括具有容纳空间的壳体，多个电芯5容纳于该容纳空间。

在一些实施例中，上述电池模组还可以组装成电池包，电池包所含电池模组的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。

图7和图8是作为一个示例的由电池模组形成的电池包1。参照图7和图8，在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模组4。电池箱包括上箱体2和下箱体3，上箱体2能够盖设于下箱体3，并形成用于容纳电池模组4的封闭空间。多个电池模组4可以按照任意的方式排布于电池箱中。

在一些实施例中，多个电芯5可以无需通过紧固件(例如侧板6和端板7)组装成电池模组，而是沿长度方向依次排列设置在电池箱中，并通过粘合剂固定在电池箱底部，形成无模组框架结构电池包。图9示出了作为一个示例的无模组框架结构电池包，其包含多个电芯。如上所述，本申请的第一方面所述的方法特别适于处理无模组框架结构电池包中出现的故障电芯，能够使无模组框架结构电池包中的故障电芯被彻底隔离，使得无模组框架结构电池包在不同工况下存储时，也不会有产气等风险发生。

作为示例性说明，根据本申请的电池组件可以作为各种装置的电源，也可以作为这些装置的能量存储单元。所述装置可以但不限于是移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能系统等。所述装置可以根据其使用需求来选择电芯(Cell)、电池模组(Module)或电池包(pack)。

图10是作为一个示例的装置。该装置为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该装置对电池的高功率和高能量密度的需求，可以采用电池包或电池模组。作为另一个示例的装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该装置通常要求轻薄化，可以采用电芯作为电源。

实施例

为了使本申请的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例进一步详细描述本申请。但是，应当理解的是，本申请的实施例仅仅是为了解释本申请，并非为了限制本申请，且本申请的实施例并不局限于说明书中给出的实施例。实施例中未注明实验条件采用常规条件，或采用材料供应商或设备供应商推荐的条件。

1、故障电芯的处理

采用宁德时代自行研发的电池管理系统ESS_G5_BMS对电动车上运行的锂离子电池组件进行安全检查，找到电池组件中的故障电芯，其中电芯存在如下问题中的一个或多个被视为故障电芯：电压低于平均值；容量低于平均值；内阻异常高于平均值；电池漏液。为了表述方便，电压低于平均值的电芯被称为故障电芯1；容量低于平均值的电芯被称为故障电芯2；内阻异常高于平均值的电芯被称为故障电芯3；电池滤液的电芯被称为故障电芯4。

在识别出故障电芯之后，使其放电至0V。采用跨接方式，将铝巴片的两端分别与故障电芯的上游电芯的正极和故障电芯的下游电芯的负极相连接，从而将故障电芯断开不进行后续的充放电，如图3所示。

最后，向各个故障电芯注入下述各种液体，使电池组件中的故障电芯失活。

去离子水；

环氧树脂胶；

聚氨酯胶；

饱和氯化钠溶液；和

饱和碳酸钠溶液。

作为对照，将识别出的故障电芯进行放电处理，放电至0V，但未注入液体失活。

2、电池性能的测试

在各实施例和对比例中，除非另有指明，对于材料的物理性能参数均采用本领域的常用公知方法进行测量。

一些具体参数采用以下方法进行测试。

2.1高温存储产气测试

将各实施例和对比例中的故障电芯每组各取5块，测试存储前的被放电至0V的电池内压并记为P₀，以MPa计。再将该电池置于70℃烘箱中，存储30天后取出，冷却电芯1h后测试电芯存储后的内压并记为P_n，以MPa计。

根据公式：△P＝P_n-P₀，计算故障电芯存储前后的压力变化值。

3、故障电芯的性能测试结果

3.1钝化失活效果对故障电芯的高温存储稳定性的影响

为了验证钝化失活对故障电芯的防护效果，以下表1中所列出的故障电芯1和2分别进行放电到0V的处理，然后采用环氧树脂胶对故障电芯1进行失活处理。作为对照，同样的故障电芯1未进行注液失活处理。

然后将经失活处理的故障电芯和未经失活处理的故障电芯进行高温(70℃)存储产气性能测试。结果汇总在下表1中，图4示出了如下实施例和对比例中的各故障电芯在存储期间的内压变化。

表1

由以上表1结果可见，本申请所提供的处理方法确实能够完全实现故障电芯与电池组件中其它正常电芯的有效隔离，而且采用这种方法处理过的电池组件能够长时间保持安全运行，尤其在工况下能够长期稳定存储，而不会出现产气等风险。而且，由图4可以看出，在70℃的高温下存储时，随着存储时间的增加，未经钝化失活的故障电芯的内压显著增加，而采用本申请的方法钝化失活的故障电芯的内压几乎不变，具有优异的存储稳定性。

3.2液体对故障电芯的高温存储稳定性的影响

为了验证液体对故障电芯的钝化失活效果，将所列出的故障电芯1进行放电到0V的处理，然后采用以下表2中所列液体对故障电芯1进行失活处理。然后将经失活处理的故障电芯和未经失活处理的故障电芯进行高温存储产气性能测试。结果汇总在下表2中。

表2

由以上表2结果可见，较之饱和氯化钠水溶液和饱和碳酸钠水溶液等电解液，去离子水、环氧树脂胶和聚氨酯胶能够有效地将故障电芯与电池组件中其它正常电芯进行隔离，而且如此处理过的电池组件能够长时间保持安全运行，尤其在工况下能够长期稳定存储，而不会出现产气等风险。而且，环氧树脂胶和聚氨酯胶的钝化失活效果更优，由其处理过的故障电芯具有更高的存储稳定性。

而且，较之电路处理和机械处理两种方式相比，通过上述实施例1-3的故障电芯处理方法可以更有效地将电池组件中的故障电芯与电池组件中的其它正常电芯进行隔离，尤其在处理效率和隔离效率等方面显著更高。

本领域技术人员可以理解：以上仅以锂电池组件为例示出了本申请处理方法的应用实例，但是本申请的处理方法同样可以应用于其它类型的电池或电化学装置，而仍然可以获得本申请的良好技术效果。

根据上述说明书的揭示和教导，本申请所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本申请并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本申请的一些修改和变更也应当落入本申请的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本申请构成任何限制。

Claims (11)

1.一种无需拆除故障电芯而保持电池组件安全运行的处理方法，所述方法包括：

通过电池管理系统识别所述电池组件中的故障电芯；以及

向所述故障电芯注入液体使所述电池组件中的故障电芯失活。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在注入所述液体前，将所述故障电芯放电至0V。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述液体是经由所述故障电芯的注液孔注入的。

4.如权利要求3所述的方法，其中，经由所述注液孔注入所述液体的步骤包括：(i)对所述注液孔进行打磨，(ii)将所述液体注入所述故障电芯，和(iii)采用激光焊接封闭所述注液孔。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述液体是经由所述故障电芯的防爆阀注入的。

6.如权利要求5所述的方法，其中，经由所述防爆阀注入所述液体的步骤包括：(i)对所述故障电芯进行抽真空处理以在所述故障电芯中形成负压(≤大气压)，(ii)将所述液体注入所述故障电芯，和(iii)采用密封胶封闭所述防爆阀。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的方法，其中，所述液体具有如下(1)～(6)性质中的一个或多个：

(1)可流动的且对所述故障电芯内的电极组件具有浸润性，优选地，在10℃～150℃下可流动且与所述故障电芯内的电极组件的接触角不超过45°，更优选地，在10℃～80℃下可流动且与所述故障电芯内的电极组件的接触角不超过15°；

(2)不可燃的，优选地，在-50℃～250℃下是不可燃的，更优选地，在-50℃～150℃下是不可燃的；

(3)pH在7到10的范围内，优选地，pH在7到8的范围内；

(4)在温度升高的情况下物化性能不会发生变化；

(5)不会与所述故障电芯中的各组件发生反应；和

(6)不会对所述故障电芯造成腐蚀。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的方法，其中，所述液体选自水、环氧树脂胶和聚氨酯胶中的一种或多种。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的方法，所述方法还包括：在识别出所述故障电芯之后以及使所述故障电芯失活之前，采用跨接方式，将所述故障电芯断开不进行后续的充放电的步骤。

10.一种带有故障电芯而保持安全运行的电池组件，其是通过权利要求1至9中任意一项所述的方法得到的，所述电池组件包括电池模组和/或电池包。

11.根据权利要求10所述的电池组件，其特征在于，所述电池组件是一种由多个电芯以串联和/或并联的电连接方式直接组成的无模组框架结构电池包。

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